氮化爐的改造及效果分析

尹國武

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037005）

引言

氮化爐被廣泛應(yīng)用于金屬熱處理的工藝環(huán)節(jié)中，其主要任務(wù)是強(qiáng)化金屬表面的熱處理效果。經(jīng)氮化爐處理后的工件具有變形小、氮化層脆性低，且氮化處理后工件的耐磨性、抗腐蝕性以及抗疲勞強(qiáng)度特性均得到了顯著的提升。當(dāng)前，應(yīng)用于金屬件熱處理工藝效果最好的氮化爐類型為離子氮化爐[1]。鑒于離子氮化爐獨(dú)特的工作特性，在實(shí)際運(yùn)行過程中

由于其陰極的結(jié)構(gòu)存在缺陷導(dǎo)致打弧現(xiàn)象的發(fā)生，從而影響金屬件最終的熱處理效果。經(jīng)調(diào)研可知，傳統(tǒng)離子氮化爐的陰極及測(cè)溫偶普遍被安裝于氮化爐的底盤上且氮化爐的均勻性較差，這是導(dǎo)致氮化爐工作受阻及工件返工率高的關(guān)鍵原因。據(jù)此，對(duì)氮化爐進(jìn)行改造。

1 離子氮化爐的工作原理

離子氮化爐的主要任務(wù)是完成對(duì)金屬件的熱處理，以提升金屬件的耐腐蝕、耐磨性等性能。離子氮化系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 離子氮化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

離子氮化爐是基于氣體導(dǎo)電性的原理研制而的。在實(shí)際應(yīng)用中，將需熱處理的金屬件置于存在高壓直流電源的真空室中，并將帶熱處理的工件與直流電源負(fù)極的陰極盤相連，與此同時(shí)將工件的外圈與直流電源的陽極相連[2]。當(dāng)真空室內(nèi)的真空度滿足要求時(shí)向其中注入一定的氨氣。氨氣在高壓的作用下分解為氨氣正離子和氨氣負(fù)離子，在“異性相吸”的作用下，氨氣正離子流向工件的陰極，并在高溫的作用下，氨氣正離子還原為氨原子覆蓋于工件表面形成一層耐腐蝕性、耐磨以及耐疲勞的膜。

2 離子氮化爐陰極盤的改造

2.1 離子氮化爐陰極盤現(xiàn)狀

1）離子氮化爐陰極盤結(jié)構(gòu)不合理。離子氮化爐的陰極盤由三個(gè)小盤狀陰極組成。在實(shí)際氮化處理工藝過程中，三個(gè)小陰極盤會(huì)同時(shí)與陽極起作用從而達(dá)到起輝的目的[3]。三個(gè)小陰極盤同時(shí)動(dòng)作很大程度上增加了打弧現(xiàn)象發(fā)生的可能性。熱處理過程中的打弧現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)工件造成損傷，還會(huì)加速滅弧裝置被損壞。此外，三個(gè)陰極盤之間的間隙防輝存在極大的不可靠性，導(dǎo)致在陰極盤和防輝盤之間可能出現(xiàn)打弧現(xiàn)象。

2）離子氮化爐密封性能存在缺陷。由于離子氮化爐的陰極盤和測(cè)溫偶均安裝于設(shè)備的底盤上，導(dǎo)致設(shè)備的密封點(diǎn)較多，一定程度上增加了氮化爐泄露的影響，進(jìn)而影響爐內(nèi)的真空度。若離子氮化爐內(nèi)的真空度不達(dá)要求將會(huì)直接金屬工件的熱處理效果。

2.2 離子氮化爐陰極盤的改造

根據(jù)2.1 中的對(duì)當(dāng)前氮化爐陰極盤結(jié)構(gòu)不合理所導(dǎo)致各類問題的原因分析，對(duì)其陰極盤結(jié)構(gòu)做出如下頁圖2 所示的改造。

如圖2 所示，離子氮化爐的陰極盤仍然安裝于設(shè)備的底盤上，為解決其密封效果不佳的問題，將陰極盤供電系統(tǒng)更改為中間引電柱，并在離子氮化爐和引電柱之間加設(shè)水冷卻裝置和多道密封；為解決陰極盤與防輝盤產(chǎn)生打弧現(xiàn)象的問題，將三個(gè)小陰極盤由均勻布置的陰極作為陰極盤的支撐。

圖2 改造后陰極盤的結(jié)構(gòu)

2.3 改造效果

將以往三個(gè)小陰極盤設(shè)計(jì)為一個(gè)整體陰極盤，并將其供電由以往的三路供電更改為一路供電，從而從結(jié)構(gòu)上對(duì)陰極盤的打弧現(xiàn)象進(jìn)行了一定的改善；將測(cè)溫偶安裝于陰極的引電柱內(nèi)，此舉將測(cè)溫偶和導(dǎo)電柱合為一體不僅能夠提升對(duì)離子氮化爐內(nèi)溫度的測(cè)量精確度的提升，而且還從一定程度上減少了密封點(diǎn)，從而提升了設(shè)備的密封性能；對(duì)設(shè)備各個(gè)部件的引電柱增設(shè)了防輝帽[4]。

3 針對(duì)離子氮化爐內(nèi)溫度均勻性差的整改

3.1 現(xiàn)狀分析

經(jīng)分析可知，基于當(dāng)前離子氮化爐所采用的水冷卻方式，由于冷卻水的進(jìn)口位于離子氮化爐的底部，導(dǎo)致設(shè)備底部的溫度維持在20 ℃左右；而對(duì)于離子頂部而言，在水蒸氣的作用下其溫度可達(dá)70℃。因此，基于上述分析初步判斷：可能導(dǎo)致離子氮化爐內(nèi)溫度均勻性差的原因?yàn)槠淅鋮s水均勻性差[5]。

當(dāng)裝爐量較大時(shí)，此時(shí)待熱處理加工的金屬件與氨氣進(jìn)口位置之間的距離相對(duì)較小。實(shí)際熱處理時(shí)所采用的氨氣為液體氨，使得處于氨氣進(jìn)口處金屬件的溫度降低，嚴(yán)重低于整個(gè)金屬件的溫度，進(jìn)而導(dǎo)致工件在熱處理過程中出現(xiàn)軟點(diǎn)的現(xiàn)象。

3.2 改造方案

針對(duì)離子氮化爐冷水卻結(jié)構(gòu)及氨氣進(jìn)氣口位置與工件距離小的問題，特對(duì)其水冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造：

1）將冷卻水進(jìn)口位置由原先距離底盤100 mm 的位置更改為距離底板580 mm，并將冷卻水入口個(gè)數(shù)由原先的1 個(gè)增加為3 個(gè)；

2）在氨氣進(jìn)口的位置處加設(shè)一個(gè)擋板，該擋板的主要作用為防止進(jìn)入離子氮化爐內(nèi)的氨氣直接作用與金屬工件。此外，在進(jìn)入離子氮化爐的氨氣管道上加設(shè)相應(yīng)的穩(wěn)壓閥，以確保氨氣以恒定的壓力進(jìn)入設(shè)備，避免造成沖擊。

3.3 改造效果

1）將冷卻水進(jìn)水位置的提升，縮短了冷卻水進(jìn)水口和出水口之間的距離，從而減小了冷卻水在進(jìn)水口和出水口的溫差，對(duì)離子氮化爐內(nèi)溫度的均勻性有了一定的改善；

2）在離子氮化爐內(nèi)增設(shè)一個(gè)隔熱屏，能夠?qū)㈦x子氮化爐內(nèi)的溫度均勻性更進(jìn)一步地提高；

3）在氨氣管道上加設(shè)穩(wěn)壓閥，確保氨氣進(jìn)入離子氮化爐時(shí)壓力處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，且進(jìn)入離子氮化爐內(nèi)氨氣溫度也處于恒定狀態(tài)。此外，在氨氣進(jìn)口處加設(shè)擋板避免氨氣對(duì)金屬工件進(jìn)行直吹，從而避免由于氨氣直吹所導(dǎo)致的工件溫度不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)而克服了金屬工件在熱處理過程中出現(xiàn)軟點(diǎn)的問題。

4 結(jié)論

經(jīng)改造后，離子氮化爐陰極盤在絕緣、密封以及防止打弧等方面得到了顯著改善，離子氮化爐內(nèi)溫度均勻性也得到了顯著提升，從而提升了金屬工件的氮化效果，提升了產(chǎn)品的合格率。